Imagen de microscopio de vista superior de un dispositivo fotónico de ondas acústicas de superficie en silicio sobre aislante. Se utiliza una rejilla de franjas doradas (derecha) para impulsar ondas acústicas, que luego afectan a la luz en guías de ondas estándar. Crédito:D. Munk, M. Katzman, M. Hen, M. Priel, M. Feldberg, T. Sharabani, S. Levy, A. Bergman, y A. Zadok
Las capacidades de los circuitos electrónicos se han ampliado con la introducción de la fotónica:componentes para la generación, guiado y detección de luz. Juntos, la electrónica y la fotónica admiten sistemas completos para la comunicación y el procesamiento de datos, todo en un chip. Sin embargo, hay ciertas cosas que incluso las señales eléctricas y ópticas no pueden hacer simplemente porque se mueven demasiado rápido.
Algunas veces, moverse lentamente es mejor, según el Prof. Avi Zadok de la Facultad de Ingeniería e Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad Bar-Ilan. "Tareas importantes de procesamiento de señales, como la selección precisa de canales de frecuencia, requieren que los datos se retrasen en escalas de tiempo de decenas de nanosegundos. Dada la alta velocidad de la luz, Las ondas ópticas se propagan a lo largo de muchos metros dentro de estos períodos de tiempo. No se pueden acomodar tales longitudes de trayectoria en un chip de silicio. No es realista. En esta carrera rápido no necesariamente gana ".
El problema, De hecho, es bastante antiguo. Los circuitos electrónicos analógicos se han enfrentado a desafíos similares en el procesamiento de señales durante 60 años. Se encontró una excelente solución en forma de acústica:una señal de interés se convierte del dominio eléctrico a la forma de una onda acústica. La velocidad del sonido es por supuesto, más lento que el de la luz en un factor de 100, 000. Las ondas acústicas adquieren los retardos necesarios sobre decenas de micrómetros en lugar de metros. Estas longitudes de trayectoria se acomodan fácilmente en el chip. Después de la propagación, la señal retardada se puede convertir de nuevo a electrónica.
En un nuevo trabajo publicado hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Zadok y sus colaboradores trasladan este principio a los circuitos fotónicos de silicio.
"Hay varias dificultades para introducir ondas acústicas en chips de silicio, "dice el estudiante de doctorado Dvir Munk, de la Universidad Bar-Ilan, que participaron en el estudio. "La estructura de capa estándar utilizada para la fotónica de silicio se llama silicio sobre aislante. Si bien esta estructura guía la luz de manera muy eficaz, no puede confinar y guiar las ondas sonoras. En lugar de, las ondas acústicas simplemente se escapan ". Debido a esta dificultad, Los trabajos anteriores que combinan ondas de luz y sonido en silicio no involucran la estructura de capas estándar. Alternativamente, integración híbrida de adicionales, Se necesitaban materiales no estándar.
Respuesta de frecuencia medida de un filtro de radiofrecuencia estrecho, realizado utilizando ondas de luz y sonido en un chip de silicio. Azul:resultados experimentales. Rojo:respuesta diseñada. Crédito:D. Munk, M. Katzman, M. Hen, M. Priel, M. Feldberg, T. Sharabani, S. Levy, A. Bergman, y A. Zadok
"Ese primer desafío se puede superar mediante el uso de ondas acústicas que se propagan en la superficie superior del chip de silicio, "continúa Munk." Estas ondas acústicas superficiales no se filtran tan rápidamente. Aquí, sin embargo, Hay otro problema:la generación de ondas acústicas generalmente se basa en cristales piezoeléctricos. Estos cristales se expanden cuando se les aplica voltaje. Desafortunadamente, este efecto físico no existe en el silicio, y preferimos evitar la introducción de materiales adicionales en el dispositivo ".
Como alternativa, estudiantes munk, Moshe Katzman y sus compañeros de trabajo confiaron en la iluminación de metales. "La luz entrante transmite la señal de interés, "explica Katzman." Irradia un patrón de metal en el chip. Los metales se expanden y contraen, y cuele la superficie de silicio debajo. Con un diseño adecuado, esa tensión inicial puede generar ondas acústicas superficiales. Sucesivamente, las ondas acústicas pasan a través de guías de ondas ópticas estándar en el mismo chip. La luz en esas guías de ondas se ve afectada por las ondas superficiales. De este modo, la señal de interés se convierte de una onda óptica a otra a través de la acústica. Mientras tanto, se acumula un retraso significativo en un alcance muy corto ".
El concepto combina luz y sonido en silicio estándar sin suspensión de membranas ni uso de cristales piezoeléctricos. Se alcanzan frecuencias acústicas de hasta 8 GHz, sin embargo, el concepto es escalable a 100 GHz. El principio de funcionamiento es aplicable a cualquier sustrato, no solo silicio. También se presentan aplicaciones:el concepto se utiliza en filtros de banda estrecha de señales de radiofrecuencia de entrada. Los filtros altamente selectivos utilizan retardos de 40 nanosegundos. "En lugar de utilizar cinco metros de guía de ondas, logramos este retraso en 150 micrones, "dice Munk.
El profesor Zadok resume:"La acústica es una dimensión que falta en los chips de silicio porque la acústica puede completar tareas específicas que son difíciles de hacer solo con la electrónica y la óptica. Por primera vez hemos agregado esta dimensión a la plataforma fotónica de silicio estándar. El concepto combina la comunicación y el ancho de banda que ofrece la luz con el procesamiento selectivo de ondas sonoras ".
Una posible aplicación de estos dispositivos es en futuras redes celulares, ampliamente conocido como 5G. Es posible que la electrónica digital por sí sola no sea suficiente para satisfacer los requisitos de procesamiento de señales en tales redes. Los dispositivos de luz y sonido pueden hacer el truco.
